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How to Maintain Power Integrity in your PCB The PCB Design Process Power Analyzer by Keysight PDN Analyzer for DC Power Integrity
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Excel スプレッドシートを使用したキャパシタのインピーダンス対周波数のモデリング Excel スプレッドシートを使用したキャパシタのインピーダンス対周波数のモデリング 1 min Whitepapers 以前の記事 で述べたように、2日間の設計コースのクラスノートに基づいて、電源サブシステムの設計を正しく行うことは、今日の高速PCB設計プロセスで最も難しい側面です。このプロセスの主要な側面は、最終製品で適切に機能するように電源をモデル化することです。このモデリング努力の重要な部分は、キャパシタのインピーダンス対周波数をモデル化できるようにすることに焦点を当てています。これは十分に単純で、Excelスプレッドシートを使用して行うことができます。 この記事では、キャパシタの集団がどのように選ばれるか、この努力の一環としてExcelスプレッドシートがどのように使用されるか、キャパシタを分析するためのSPICEモデルがどのように作成されるか、そして実際の回路と完全なPDNの要素に対する結果の予測がどれほど近いかを説明します。この記事で強調されるのは、Alteraから無料で提供されている PDNツールです。 キャパシタのインピーダンス対周波数を支配するものは何か？ Excelスプレッドシートを使用してキャパシタのインピーダンス対周波数をモデル化する方法について詳しく説明する前に、 キャパシタがどのように振る舞うかを理解することが重要です。 キャパシタには3つの要素があり、それらは以下の通りです： キャパシタ自体。 キャパシタと取り付けリードのインダクタンス。 導体の抵抗。 上記の要素は直列に発生し、RFエンジニアは結果として得られるデバイスを一連の調整回路としてラベル付けします。 キャパシタの振る舞いを理解するには、以下の基準に基づきます： 低周波数では、インピーダンスは非常に高いため、キャパシタの振る舞いは見えません。 高周波数では、キャパシタはインダクタとして機能します。 図1は、2つの一般的なキャパシタのインピーダンス対周波数を示しています。 低周波数では、キャパシタのインピーダンスは予想通りです。最終的に、寄生インダクティブリアクタンスとキャパシティブリアクタンスは一つの周波数で等しくなり、共振時のLC回路のように互いに打ち消し合います。グラフの下部では、キャパシタのインピーダンスはESR（等価直列抵抗）に等しくなります。 注：ESRは、コンポーネントリードを作る導体の有限の電気伝導率によるすべてのコンポーネントの寄生抵抗です。 コンデンサのグループは、回路内でのコンデンサの配置方法に依存して、直列共振と並列共振を示すことがあります。各共振は、特定の周波数（または周波数群）でインピーダンスが最小になるときに発生します。共振周波数の周辺では、コンデンサは電源で最も有用ですが、比較的狭い周波数範囲でのみ有用です。有用な周波数をより広い範囲に拡大することは、PDNで複数のコンデンサを使用する理由の一つです。 適切なインピーダンス計算 記事を読む
電力サブシステム設計のためのPDNインピーダンス測定 電力サブシステム設計のためのPDNインピーダンス測定 1 min Blog 電力サブシステムが適切な電力を供給するためには、カスタムテストプローブを使用して周波数に対するPDNインピーダンス測定を行う必要があります。 記事を読む
電力消費を知る 電力消費の計算方法 1 min Blog 個々のコンポーネント、電気ブロック、あるいは電子システム全体の消費電力を理解することは、電子エンジニアにとって不可欠です。これは、コンポーネントの最大限度を超えないようにするだけでなく、消費電力がシステムの電圧と電流に関連しているため、入力側または出力側の未知のパラメータを計算することも重要です。この記事では、電子設計における消費電力を分析するための私の実践を説明します。 消費電力の計算方法：基本中の基本 まず、私の分析方法の基礎となる消費電力について説明します。電力に関する最初のルールは次のとおりです：システムの入力電力は常に出力電力よりも大きく、その逆はあり得ません。つまり、コンポーネント内で常に一部の電力が損失（Ploss）し、これがその消費電力です。したがって、消費電力の式はPin–Poutです。 基本的な消費電力の流れは図1に示されています。システムに電力を入力すると、その電力の一部がシステム内で熱として失われ、出力電力が減少します。したがって、出力電力は入力電力よりも少なくなければなりません。 ほとんどの電力損失は最終的にコンポーネント内部の熱となります。これは一般に電力散逸と考えられています。アクティブコンポーネントの場合、全体の電力の一部が他のエネルギー形態に転送されることがあり、これは一般に電力消費と見なされます。例えば、LEDでは、電力は発光（電力消費）と熱（電力散逸）から成ります。したがって、電力散逸は熱であり、電力消費はシステムから得たい電力です。電力散逸の公式では、例えば電気から光への電力転送は分析せず、システムやコンポーネントがどれだけ電力を散逸させるかのみを扱います。 第二のルールは、電力と電圧、電流の関係です。ご存知の通り、これはシステムの電流消費によって加えられた電圧を乗じたもの、つまり P = UI です。電圧と電流の関係は、抵抗またはインピーダンスであり、これはお馴染みのオームの法則 U = RI または U = ZI です。これら2つの方程式とその組み合わせにより、私たちは全ての電力散逸計算を行います。これらの法則が常に有効であることを覚えておくことは良いことです。加えられた電圧が5Vで、電流が1Aの場合も、5Ωの抵抗を通る場合も、加えられた電圧が1Vだが電流消費が5Aで、0.2Ωの抵抗を通る場合も、同じ電力が得られます。どちらの場合も、電力散逸は5Wであり、電圧と電流を使って計算するか、電流と抵抗を使って計算するかに関わらずです。電流ベースの計算では、P = RI² 記事を読む
12V DC 無停電電源装置 12V DC 無停電電源装置 1 min Altium Designer Projects PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 私は、強風や嵐の際に断続的に電力供給が不安定になる田舎の村に住んでいます。そのため、私のコンピューター、サーバー、ネットワーク機器はすべて、比較的低コストの無停電電源装置（UPS）に接続されています。これらはすべて密閉型鉛蓄電池を使用しており、Raspberry PiやインターネットルーターなどのDCデバイスを電源供給する方法としては特に効率的ではありません。なぜなら、入力されるAC（交流）がDC（直流）バッテリーを充電し、その後、インバーターを介してAC電力を生成し、AC-DCコンバーターがDCデバイスに電力を供給するからです。ADSLルーターを全体のAC UPSに頼るのではなく、小型のUPSを作ってみるのも面白いと思いました。 私のADSLルーターは12V/1Aの電源を持っていますが、内部的にはおそらく1.8-3.3vで動作しているにもかかわらずです。このプロジェクトでは、12V 1AのUPSを作成します。いつものように、オープンソースのAltium Designerプロジェクトファイルは GitHubで、MITライセンスの下でライセンスされています。このライセンスは、基本的に設計に対して好きなことをすることを許可します。ライブラリファイルを探している場合、このプロジェクトは私の Open Source Altium Designer Libraryを使用して設計されました。 上記は、 Altium 365 Viewerで読むことになるPCB設計です。これは、設計を表示したりボタンをクリックするだけでダウンロードできる機能を備え、同僚、クライアント、友人と繋がる無料の方法です！設計を数秒でアップロードし、重たいソフトウェアや高性能なコンピューターなしで詳細に深く見るためのインタラクティブな方法を持つことができます。 バッテリー 鉛蓄電池はエネルギーのワット時あたりのコスト効率が非常に高いですが、もう少し現代的でコンパクトで軽量なものを作りたいと思います。私のUPSには、優れたエネルギー密度、放電率、比較的高速な充電能力を提供する18650リチウムポリマーセルを2つ使用します。次のプロジェクトにバッテリーを使用する予定があるなら、OctoPartでの私の記事 プロジェクト用のバッテリー化学を選択するをぜひご覧ください。18650セルは鉛蓄電池と比較してワット時あたりのコストが比較的高いですが、私のUPSには大きな負荷はかかりません。 LG 記事を読む
なぜPCBの電源レールは低インピーダンスである必要があるのか PCBパワーレールが低インピーダンスである必要がある理由 1 min Blog 電源レールが何であるか、それがどのように機能するか、そして恐怖が悪い設計決定を下す原動力となる方法について学びましょう。 記事を読む
高電圧SMPS PCBレイアウトで熱とノイズを最小限に抑える 高電圧SMPS PCBレイアウトで熱とノイズを最小限に抑える 1 min Thought Leadership AC-DC変換であれDC-DC変換であれ、スイッチング電源のレイアウトは高電圧設計で一般的であり、慎重に構築する必要があります。このシステムは非常に一般的ですが、スイッチング中の電圧と電流の急激な変化により、簡単にEMI（電磁干渉）を放射する可能性があります。設計者は、ある領域のわずかな変更が診断が困難なEMI問題を引き起こす可能性があるため、既存の設計を新しいシステムに適応させることはほとんどありません。 適切なレイアウト選択と配線を行うことで、SMPSの出力からノイズが重大な問題になるのを防ぐことができます。低電圧コンバータは異なるフォームファクターでICとして購入できますが、高電圧コンバータは専用のボード上で個別のコンポーネントから製造する必要があります。ここでは、コンポーネントを冷却し、システムのノイズ問題を防ぐための重要なSMPS PCBレイアウトのヒントをいくつか紹介します。 SMPS PCBレイアウトのノイズと熱問題 どうしても避けられないことですが、任意のSMPSはトランジスタドライバのスイッチング動作により、中程度の高周波ノイズを発生させます。実際には、AC-DC変換中の全波整流器からの低周波リップルを高周波スイッチングノイズに変換しています。この変換によりより安定したDC出力が得られますが、依然として2つの重要なノイズ源が問題となります： スイッチング素子からの直接的なスイッチングノイズ。 システム内の他の場所での過渡的なノイズ。 SMPSユニットの出力には、伝導ノイズとしても放射ノイズとしてもノイズが現れることがあります。各問題の原因を診断するのは複雑になることがありますが、2種類のノイズを区別することは容易です。SMPS PCBレイアウトにおける他の設計上の課題は、ボード内で発生する熱です。これは、適切なPWM周波数、デューティサイクル、立ち上がり時間を選択することで影響を受けることがありますが、ボードで適切な熱管理戦略を使用する必要があります。これら2つの課題を念頭に置いて、SMPS PCBレイアウトで注意すべき細かな点を見てみましょう。 熱管理 理想的なSMPSはゼロパワーを消散しますが、現実にはこれは起こりません。スイッチングトランジスタ（およびAC-DC変換用の入力トランス）が、熱として大部分の電力を消散します。スイッチング電源トポロジーでは効率が90％を超えることもありますが、電力MOSFETはスイッチング中にかなりの熱を発散することがあります。ここでの一般的な実践は、重要なスイッチングコンポーネントにヒートシンクを設置することです。これらをグラウンドプレーンに接続して 新たなEMIの発生源を防ぐことを確認してください。 高電圧/高電流の電源では、これらのヒートシンクはかなり大きくなることがあります。エンクロージャにファンを取り付けることで、システムの冷却をさらに強化できます。ただし、新たなEMI問題を引き起こさないように、このファンの電源供給に関して ベストプラクティスに従うことを確認してください。 SMPS PCBレイアウトのヒント あなたのPCBスタックアップ レイアウトは熱管理に多少役立ちますが、EMIの感受性に関してはより大きな決定要因です。伝導ノイズは通常、入力回路と出力回路に 記事を読む
Buckコンバータ用インダクタの選択方法 Buckコンバーター用インダクタの選択方法 1 min Thought Leadership SMPSは、お気に入りの電子機器をスムーズに動かすために、静かに（しかし電気的にはノイジーに）活動しているデバイスの一つです。彼らは背景で静かに役割を果たしていますが、彼らがいなければボードは動作しません。電力をたくさん消費するアプリケーションのDC-DCコンバータ設計の一環として、安定した電力供給を高効率で負荷に提供するためには、コンポーネントの選択が非常に重要です。 数多くのDC-DCコンバータトポロジーの中で、バックコンバータは入力電圧を下げるために、高効率の電力変換を提供するために多くの用途で使用されます。これらの電力コンバータのコンポーネント選択に関する一般的な質問は、バックコンバータ用のインダクタをどのように選択するかです。バックコンバータ内のインダクタや他のコンポーネントを扱う際の目標は、電力損失を熱に限定し、同時に電流リップルを最小限に抑えることです。 バックコンバータのインダクタ 以下に示すのは、SMPS用の基本的なバックコンバータトポロジーです。この図では、MOSFETからの出力がPWM信号で駆動され、ユーザーが選択したデューティサイクルでMOSFETをオン/オフします。インダクタとキャパシタは、PWM信号が切り替わる際に負荷に安定した電流を供給するために重要な役割を果たします。最終的に、PWM信号のデューティサイクルは、ユーザーが負荷に供給される出力電圧を制御するための主要な機能です。 インダクタはPWM信号と同じレートで常に切り替わるため、出力に送られる電流にわずかなリップルを重ねる役割を担います。インダクタとキャパシタはLフィルタを形成し、これは基本的に2次のバンドパスフィルタです。十分に 大きくESRが低いキャパシタを使用すると、キャパシタは低インピーダンスを提供し、リップルを構成する高周波成分は大部分が取り除かれます。 バックコンバータ用のインダクタの選択方法 インダクタの適切な値は、設計が許容できるリップル電流と、PWM信号に使用する予定のデューティサイクルに依存します。以下の方程式は、ダイオードの順方向電圧降下とMOSFETを通過するON状態の電圧降下の関数としての出力電圧を示しています。これらの電圧を考慮した後、出力電圧は次のようになります： いくつかの数学をスキップして、重要な結果に直接移ります。まず、インダクタンスとPWM周波数はリップル電圧に反比例します。次に、リップルはPWMデューティサイクルの二次関数でもあります。バックコンバーターのリップル電流は次のようになります： PWM信号の立ち上がり時間はどちらの方程式にも現れません。しかし、立ち上がり時間は、 コンバーターから発生するノイズおよび損失（詳細は以下を参照）を決定する上で重要な役割を果たします。重要な結果は以下のようにまとめることができます： デューティサイクルを増加させるとリップルは減少しますが、出力電圧を入力電圧に近づけることにもなります。 PWM周波数を上げるとリップルは減少しますが、これによりMOSFETでの 熱放散が増加します。ただし、これには注意点があります。エッジレートが速いPWM信号を使用すると、高いPWM周波数からの損失が減少します（再度、下記参照）。 より大きな入力電圧を使用するには、リップルを許容レベルに減少させるためにより大きなインダクタを使用する必要があります。一般的に、リップルを減少させるためにはより大きなインダクタを使用します。 PWM立ち上がり時間が重要な理由 インダクタは、出力電流上のリップルを生成し、同時に抑制する役割を担っていますが、これは上記のガイドラインを使用して設計で設定できる設計目標とすることができます。しかし、インダクタが制御できないスイッチングレギュレータのいくつかの重要な側面があります： スイッチング要素からの放射EMI：このトランジスタからのスイッチングノイズは、下流回路にいくらかのノイズを誘導することがあります。 スキン効果による熱損失：これはインダクタの幾何学的形状の機能であり、インダクタンス値ではありません。インダクタがより大きな断面積と高い熱伝導率を持っている場合、インダクタからの熱がより高い速度で放散されます。 トランジスタの熱損失：トランジスタは、スイッチングと調整中に最も多くの熱を発散します。しかし、より速いエッジレートを使用することで、この熱損失を抑制できます。なぜなら、MOSFETがPWM振動の間により完全にオフに切り替わるからです。 記事を読む